Introduction aux thématiques scientifiques

Tout atome est constitué d'un coeur très dense - le noyau atomique qui porte quasiment toute la masse de l'atome - et d'électrons qui gravitent autour. Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, eux-mêmes formés chacun de trois quarks.
Les recherches menées à l'IN2P3 s’intéressent au domaine subatomique, c'est-à-dire au domaine des noyaux et de leurs constituants jusqu'aux particules considérées aujourd'hui comme élémentaires.

Selon le Modèle standard, la théorie qui décrit notre vision actuelle, les briques de base à partir desquelles toute la matière de l’Univers a été formée, appelées fermions, sont au nombre de douze : douze particules élémentaires, six quarks et six leptons, réparties en trois familles. Seule la première famille constitue la matière stable et suffit donc à la description de notre environnement. Les particules des deux autres familles ne peuvent être créées, et donc observées, que dans l'Univers ou les accélérateurs de particules. Le Modèle standard décrit les interactions entre les constituants élémentaires par l’échanges de bosons. Il admet l'existence du boson de Higgs, associé au champ générateur de la masse, qui a été découvert en 2012 par les expériences Atlas et CMS au Cern.

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Quarks et leptons sont soumis à quatre interactions fondamentales qui régissent l’Univers actuel. Rangées par ordre d'intensité décroissante, ce sont l'interaction forte, l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et l'interaction gravitationnelle. Ces interactions se produisent par échange de bosons, un autre type de particules :

• l’interaction forte maintient ensemble les quarks au sein des nucléons et est donc responsable de la cohésion des noyaux atomiques ; elle est portée par les gluons.
• l’interaction électromagnétique agit entre tous les objets qui possèdent une charge électrique et a le photon pour particule messagère.
• les bosons W et Z sont les porteurs de l’interaction faible qui est responsable de certaines désintégrations radioactives (désintégration avec émission d'électrons).
• l’interaction gravitationnelle est une force attractive qui agit entre tous les objets ayant une masse. Elle est d’ordinaire négligeable à l’échelle microscopique, mais c’est elle qui régit l’infiniment grand : elle règne en effet en maître à l’échelle des étoiles, des planètes et au-delà ; son vecteur serait le graviton non encore observé.

Le Modèle standard est le cadre conceptuel qui permet de décrire tous les phénomènes mettant en jeu les interactions fondamentales autre que la gravitation.

Jusqu'à sa découverte au LHC en 2012, le boson de Higgs restait la seule particule du Modèle standard qui n'avait pas encore été observée. Si celle-ci a permis de confirmer des théories énoncées 48 ans auparavant sur la nature de notre Univers, elle ouvre désormais tout un champ de questionnements.

Affiner notre compréhension du Modèle standard, approfondir la connaissance des interactions fondamentales, achever l'unification des quatre interactions fondamentales constituent les objectifs de recherche de la physique des particules.

Les quarks ne peuvent subsister à l'état isolé mais seulement liés entre eux par interaction forte. Ils forment alors les hadrons : les baryons formés de 3 quarks dont les nucléons (protons et neutrons) et les mésons formés d’un quark et d’un antiquark. L'étude de ces édifices de matière et de la manière dont les quarks s'unissent constitue le domaine de la physique hadronique, tandis que l’analyse des propriétés des noyaux, systèmes plus complexes formés de l’association de protons et de neutrons, constitue celui de la physique nucléaire.

Selon la théorie du big-bang, modèle de la genèse de l'Univers, la matière s'est structurée progressivement à partir d’un gaz primitif de particules élémentaires. La connaissance de l'infiniment petit est de ce fait indispensable pour comprendre le monde de l'infiniment grand et son histoire : premiers instants de l'Univers, formation et propriétés des étoiles et des galaxies, constituants de l’Univers (matière noire, énergie noire…). C'est le domaine des astroparticules et des neutrinos.

Tant par le thème de ses recherches que par le développement d'outils spécifiques, l'IN2P3 est par ailleurs conduit à nouer des liens privilégiés avec d'autres secteurs de la recherche, pour répondre notamment à des demandes de la société. L'aval du cycle électronucléaire, l'apport de l'instrumentation de la physique subatomique à l'imagerie médicale ou encore le développement de grilles de calcul font partie des thèmes de recherches interdisciplinaires développés par l'Institut.
L'IN2P3 est en outre activement impliqué dans la physique et le développement d’accélérateurs.